Il Segreto delle Cellule Staminali? È Nascosto nei Loro Perossisomi “Vecchi”!

Ciao a tutti, appassionati di scienza e curiosi della vita! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel cuore delle nostre cellule, in particolare quelle che hanno il superpotere di rigenerare i nostri tessuti: le cellule staminali. Sapete, da tempo ci interroghiamo su come facciano a mantenersi “giovani” e pronte a rinnovarsi, specialmente dopo quelle che chiamiamo divisioni cellulari asimmetriche. Immaginate una cellula madre che si divide, ma invece di creare due copie identiche, ne genera una che rimane staminale (pronta a dividersi ancora) e un’altra che si specializza. Come fa a decidere chi fa cosa?

Una delle risposte emergenti è che la cellula madre non distribuisce equamente tutti i suoi componenti interni. È un po’ come un’eredità selettiva! Abbiamo già scoperto, ad esempio, che i mitocondri (le centrali energetiche della cellula) più giovani vengono dati alla figlia che manterrà la capacità di auto-rinnovarsi. Questo ci ha fatto pensare: e gli altri organelli? Che ruolo giocano in questa danza del destino cellulare?

I Perossisomi Entrano in Scena

Qui entrano in gioco i perossisomi. Questi piccoli organelli sono dei veri tuttofare metabolici: si occupano del metabolismo dei grassi, della detossificazione da specie reattive dell’ossigeno (i famosi ROS, radicali liberi) e molto altro. Sono cruciali per la salute della cellula, ma la loro distribuzione durante la divisione delle cellule staminali era un mistero. Qualcuno aveva ipotizzato che potessero influenzare l’orientamento del fuso mitotico (la struttura che separa i cromosomi), ma se venissero anch’essi distribuiti in modo selettivo? E se questo avesse conseguenze dirette sul destino delle cellule figlie?

Per capirci qualcosa, abbiamo dovuto inventarci un modo per “vedere” i perossisomi di età diverse all’interno delle cellule. Abbiamo usato una tecnica ingegnosa che sfrutta un’etichetta molecolare chiamata SNAPtag, legata a una sequenza che la indirizza specificamente ai perossisomi (SNAP-PTS1). Marcando questi SNAPtag in momenti diversi con colori fluorescenti differenti, siamo riusciti a distinguere i perossisomi “vecchi” (prodotti ore prima) da quelli “giovani” (prodotti più di recente).

Una Sorpresa Inaspettata: Vecchio è Meglio?

E qui arriva la sorpresa! Studiando cellule epiteliali mammarie umane (hMECs) in coltura, abbiamo notato che, sì, alcune cellule distribuivano i perossisomi in base all’età. Ma, contrariamente a quanto visto per i mitocondri, erano le cellule che ereditavano i perossisomi più vecchi a mostrare una maggiore capacità di auto-rinnovarsi (formando più “mammosfere”, aggregati cellulari che mimano il tessuto mammario). Sembrava quasi che l’esperienza contasse!

Per confermare questa scoperta in un contesto più vicino alla realtà, abbiamo fatto un passo avanti: abbiamo creato un modello di topo speciale (il topo SNAP-PTS1) in cui potevamo attivare l’espressione dell’etichetta SNAP-PTS1 nei perossisomi. Isolando le cellule staminali epiteliali mammarie primarie (mMECs) da questi topi, abbiamo potuto marcare i perossisomi vecchi e giovani e osservare la loro prima divisione in coltura. Ebbene sì, specialmente nelle cellule basali (quelle con maggiore potenziale staminale), la divisione asimmetrica portava a una figlia che ereditava preferenzialmente i perossisomi vecchi.

Dalla Coltura alla Funzione: Il Potere dei Perossisomi Anziani

Ma cosa significa ereditare perossisomi vecchi? Per scoprirlo, abbiamo isolato le cellule figlie subito dopo la prima divisione: quelle arricchite in perossisomi vecchi (che abbiamo chiamato PO, “Peroxisome Old”) e quelle arricchite in perossisomi giovani (PY, “Peroxisome Young”). Le abbiamo messe in coltura 3D per vedere se potevano formare “organoidi”, strutture complesse che assomigliano al tessuto originale.

I risultati sono stati netti: le cellule PO formavano tre volte più organoidi delle cellule PY! Non solo, ma quando stimolavamo questi organoidi a ramificarsi (un segno di vera potenzialità staminale, capace di generare entrambi i tipi cellulari principali del tessuto mammario, basali e luminali), gli organoidi derivati da PO lo facevano molto più frequentemente e con una struttura organizzata, simile a quella del tessuto mammario in vivo. Gli organoidi PY, invece, erano meno capaci di ramificarsi e apparivano disorganizzati. Era chiaro: i perossisomi vecchi conferivano un vantaggio in termini di staminalità e capacità rigenerativa.

Alla Ricerca del Fattore X: L’Enzima G6PD

Ok, ma come fanno i perossisomi vecchi a fare questa magia? Dovevamo capire cosa li rendesse diversi da quelli giovani. Usando tecniche avanzate per isolare specificamente i perossisomi vecchi e giovani e analizzare le loro proteine (proteomica), abbiamo trovato un candidato interessante: l’enzima Glucosio-6-fosfato-deidrogenasi (G6PD).

Questo enzima è noto per essere importante nel metabolismo energetico (la via dei pentoso fosfati) e per l’equilibrio redox cellulare, e si trova principalmente nel citoplasma. Tuttavia, abbiamo scoperto che una piccola parte di G6PD si associa proprio ai perossisomi, e in particolare a quelli vecchi!

Potrebbe essere questa la chiave? Abbiamo fatto delle prove:

• Inibendo l’attività di G6PD subito dopo la divisione asimmetrica, abbiamo visto che la capacità delle cellule PO di formare organoidi diminuiva drasticamente, mentre le cellule PY non ne risentivano.
• Abbiamo provato a “forzare” la presenza di G6PD in diverse parti della cellula: nel citoplasma, all’interno dei perossisomi (nella matrice) o ancorato alla loro membrana esterna. E indovinate un po’? Solo quando G6PD era sulla membrana dei perossisomi (pmembG6PD) aumentava la capacità delle cellule di auto-rinnovarsi (formare mammosfere).

Questo ci diceva che non era l’attività generale di G6PD nella cellula a contare, ma proprio quella specifica localizzata sulla superficie dei perossisomi vecchi.

Il Legame Metabolico: La Sintesi degli Eteri Lipidici

Ma cosa fa G6PD sulla membrana dei perossisomi? Produce NADPH, una molecola energetica essenziale per molte reazioni. Sulla membrana perossisomiale, il NADPH è cruciale per la sintesi di una classe speciale di lipidi chiamati eteri lipidici. Questi lipidi sono importanti per la struttura delle membrane cellulari, la segnalazione e la protezione dallo stress ossidativo.

Abbiamo ipotizzato che G6PD sui perossisomi vecchi potesse promuovere la sintesi di eteri lipidici, e che questo fosse il meccanismo alla base del mantenimento della staminalità. Per verificarlo, abbiamo usato un inibitore specifico (AGPS-IN-2i) che blocca un enzima chiave nella via di sintesi degli eteri lipidici all’interno dei perossisomi (AGPS).

I risultati hanno confermato la nostra ipotesi:

• L’inibizione di AGPS riduceva la capacità delle cellule mammarie di formare mammosfere e mitigava l’effetto positivo dato dalla G6PD sulla membrana perossisomiale.
• Anche negli esperimenti con le cellule primarie di topo, l’inibitore di AGPS riduceva la formazione e la ramificazione degli organoidi.

Quindi, ecco il quadro: i perossisomi vecchi, ricchi di G6PD sulla loro membrana, vengono ereditati dalla cellula figlia destinata a rimanere staminale. Questa G6PD localizzata produce NADPH che alimenta la sintesi di eteri lipidici nel perossisoma, e questi lipidi sembrano essere fondamentali per mantenere le caratteristiche staminali. È un affascinante esempio di come il metabolismo, finemente compartimentalizzato all’interno della cellula, possa regolare decisioni fondamentali come il destino cellulare!

Non Solo nel Seno: Conferme dalla Pelle

Ma questo meccanismo è specifico delle cellule mammarie o è un principio più generale? Per rispondere, ci siamo rivolti a un altro tessuto che si rinnova continuamente grazie alle cellule staminali: la pelle. Anche qui, usando i nostri topi SNAP-PTS1 e marcando i perossisomi in vivo, abbiamo osservato le divisioni delle cellule staminali epidermiche (EpSCs).

Nelle divisioni asimmetriche (quelle perpendicolari alla membrana basale, dove una figlia rimane attaccata e l’altra si sposta per differenziarsi), abbiamo visto la stessa cosa: i perossisomi vecchi venivano preferenzialmente trattenuti dalla cellula figlia che rimaneva alla base, quella destinata a mantenere la staminalità.

Anche in questo caso, isolando le cellule epidermiche basali arricchite in perossisomi vecchi (PO) o giovani (PY) in vivo, abbiamo scoperto che le cellule PO formavano più organoidi epidermici e questi mostravano una migliore capacità di generare gli strati differenziati della pelle. E, come previsto, inibire G6PD o la sintesi degli eteri lipidici (AGPS) riduceva la capacità delle cellule PO epidermiche di formare organoidi.

Conclusioni: Un Nuovo Livello di Regolazione

Quindi, cosa ci portiamo a casa da questo viaggio? Abbiamo scoperto un meccanismo sorprendente e finora sconosciuto:

• Le cellule staminali epiteliali (mammarie e della pelle) distribuiscono selettivamente i loro perossisomi durante la divisione asimmetrica, dando quelli più vecchi alla figlia che manterrà la staminalità.
• Questa preferenza è legata alla presenza dell’enzima G6PD sulla membrana dei perossisomi vecchi.
• L’attività localizzata di G6PD promuove la sintesi di eteri lipidici perossisomiali, che a sua volta è cruciale per mantenere l’auto-rinnovamento e la potenza staminale.

Questo non solo sfida l’idea che i perossisomi siano distribuiti a caso durante la divisione cellulare, ma rivela anche un nuovo livello di regolazione del destino delle cellule staminali basato sul metabolismo compartimentalizzato e sull’età degli organelli. Gli eteri lipidici, spesso trascurati, emergono come attori importanti nella biologia delle staminali, con possibili implicazioni future per capire l’invecchiamento, la rigenerazione tissutale e forse anche alcune malattie come il cancro.

C’è ancora molto da scoprire, ad esempio come G6PD viene reclutato specificamente sui perossisomi vecchi e come esattamente gli eteri lipidici influenzano la funzione staminale. Ma una cosa è certa: il mondo dentro le nostre cellule è ancora pieno di segreti affascinanti, e a volte, come in questo caso, la saggezza… sta negli organelli più “anziani”!

Fonte: Springer